什么东西可以像粒子一样四处移动，并始终保持其形状，但又不会像池塘表面的涟漪那样扩散和消失？拥有这种独特特征的，就是所谓的拓扑孤子。拓扑孤子并非简单的粒子，而是一种特殊类型的波或位错。
在一项于近期发表在《自然》杂志的新研究中，一组研究人员报道了在一种被称为机器人超材料的系统中，拓扑孤子以一种非典型的独特方式运动。
机器人超材料
什么是机器人超材料？我们知道，机器人指的是能够自主执行规定任务的设备。而超材料指的则是一些被专门设计的材料，这些材料的构成部分及其相互作用能够产生通常在自然界中不会发生的行为。
新研究所涉及的机器人超材料，既不是传统意义上的机器人，也不是常规的超材料，而是一种能以可编程的方式与环境相互作用的人工材料和机器人系统。在这个系统中，50个杆状的机械转子形成了一条链。
首先，这些旋转的转子通过弹性带相互连接。与此同时，每个转子都被安装在一个小电动机上，电动机能够根据转子相对于相邻转子的旋转位置，而施加一个微小的扭矩：对于任何一对相邻的转子，左边转子的旋转，会迫使右边的转子向同一方向转动；但右边转子的旋转，则会迫使左边的转子向相反方向转动。换言之，相邻转子之间的相互作用是非互易的。
在机器人超材料系统，每个转子都用弹性带与相邻的转子相连，每个转子下面都有一个小电动机，使相邻的转子之间的相互作用是非互易性的：当左边的转子的转动方向发生翻转时，右边的转子也会翻转，并且都会翻转成新的方向；但是当右边转子的方向翻转时，左边的转子不会，这一对转子会回到原来的方向。（图/Jonas Veenstra）
另外，在每个转子的旁边都放置了一个磁体，它可以对转子上的磁体产生吸引。这使得每个转子都有要么偏向左边、要么偏向右边的优先旋转位置。
拓扑孤子
研究人员观察到，在平衡状态下，这种机器人超材料系统中的所有转子，都处于相同的状态——要么全部偏向左边，要么全部偏向右边。当一个转子被轻推而状态翻转时，它会与相邻的转子相碰，使相邻的转子也翻转。
如此一来，在偏向左边和偏向右边的转子之间，就会产生一个游动的边界，而这个边界，正是一种被称为孤子的游动拓扑缺陷。而与之互补的偏向右边和偏向左边的转子之间的边界，被称为反孤子。
在平衡状态下，转子的旋转方向要么偏向左边要么偏向右边。当受到扰动时，会出现一个由相邻的偏向左边和偏向右边的转子形成的游动边界，这个边界被称为孤子。与此同时，也会出现一个由相邻的偏向右边和偏向左边的转子形成的游动边界，这个边界被称为反孤子。（图/Jonas Veenstra）
当电动机被关闭时，孤子和反孤子可以在任意一个方向上被手动推动。然而，一旦开启电动机，孤子和反孤子就会自动沿着这条链，朝同一个方向运动，其速度由电动机施加的反互易性决定。
过去的很多相关研究都聚焦在通过施加外力来移动拓扑孤子。而在目前已被研究的系统中，孤子和反孤子都会自然地沿着相反的方向运动。然而，如果想要控制孤子和反孤子的行为，科学家希望能让它们朝同一个方向运动。
现在，在这项新的研究中，科学家利用非互易性的相互作用实现了这个目标。非互易性的力，正比于孤子所引起的旋转。如此一来，每个孤子都能产生自己的驱动力。
像多米诺一样移动
研究人员将这些孤子的运动比喻成一连串倒下的多米诺骨牌，每一个都会推倒与它相邻的孤子。然而，与多米诺骨牌不同的是，非互易性的相互作用确保了“倒塌”只能发生在一个方向上。而且真正的多米诺骨牌只能倒下一次，但沿着这种超材料系统运动的孤子，则是创建了一个可以让反孤子以相同方向穿过的链。换句话说，任意数量的交替的孤子和反孤子，都可以在这个链中移动，无需“复位”。
研究人员表示，非互易性相互作用在社会和复杂的生命系统中很常见，但长期以来被大多数物理学家所忽视，因为它们只存在于非平衡系统中。通过在这种超材料中引入非互易性相互作用，研究人员希望能模糊材料与机器之间的界限，这不仅有助于研究人员更好地理解生命系统中拓扑孤子的行为，而且还可以带来技术上的进步。
未来的机器人还可以使用拓扑孤子来实现基本的机器人功能，如运动、发出信号和感知周围环境。这些功能将不再由一个中心点控制，而是由机器人活动部件的总和产生。总的来说，超材料中孤子的多米诺骨牌效应，是科学家在实验室中观测到的一个有趣结果。或许很快，它就能在工程和设计的不同分支中发挥作用。
#创作团队：
编译：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.uva.nl/en/shared-content/subsites/institute-of-physics/en/news/2024/03/an-endless-domino-effect.html?cb&cb
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07097-6
https://www.nature.com/articles/d41586-024-00622-7
#图片来源：
封面图&首图：Pixabay
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